蒲石河抽水蓄能電站油壓裝置控制邏輯與應用

李承龍，任　偉，王少華，郭　陽，張　楠，左　建

（遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

蒲石河抽水蓄能電站油壓裝置控制邏輯與應用

李承龍，任偉，王少華，郭陽，張楠，左建

（遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

摘要：蒲石河抽水蓄能電站的調(diào)速器、非同步導葉及主進水閥系統(tǒng)共用1套油壓裝置。為保證3個獨立油壓操作系統(tǒng)的壓力和液位時刻滿足工作需要，對油壓裝置壓力油泵啟停的控制邏輯提出了較高的要求?？刂破鞲鶕?jù)現(xiàn)地壓力、液位測值的變化控制油泵啟停，并合理控制泵的輪轉(zhuǎn)次序，保證每臺泵的合理使用時間，同時，還具備油罐補氣和油站加熱的控制邏輯，以及針對油泵、油罐出口隔離閥故障等事故應急操作控制。經(jīng)實踐論證，該控制邏輯可以很好的完成對油壓裝置各部分的控制，保證機組穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站；油壓裝置；可編程邏輯控制器；自動控制

0　引言

遼寧蒲石河抽水蓄能電站（以下簡稱蒲石河電站）位于遼寧寬甸滿族自治縣境內(nèi)，據(jù)丹東60 km，總裝機容量為1 200MW，單機容量為300MW。2012 年1月首臺機組投入商業(yè)運行，截止至同年9月，其余3臺機組陸續(xù)投產(chǎn)。由于蒲石河電站是東北第一座大型純抽水蓄能電站，它對東北電網(wǎng)的穩(wěn)定運行起著舉足輕重的作用。當電網(wǎng)對負荷需求較大時，蒲石河電站能夠起到“調(diào)峰”作用，由于抽水蓄能機組啟動速度較快，同時擔當事故備用的重任。在東北火電機組冬季承擔供熱作用，同時風電盛行，此時在用電低谷期，它又可消耗過剩電量，將水從下水庫抽至上水庫，實現(xiàn)能量儲存。

蒲石河每臺機組設(shè)有油壓裝置1套，供調(diào)速器、非同步導葉及主進水閥系統(tǒng)使用。眾所周知，調(diào)速器控制機組啟停機、負荷調(diào)整，操作的主要動力來源于油壓裝置建立的壓力。與此同時還要保證另外2個獨立的操作系統(tǒng)的壓力和液位時刻符合操作要求，對油壓裝置自動化控制邏輯，提出了較高的要求。油壓裝置良好正確的運行，決定機組開機成功率，更是保證機組穩(wěn)定運行的重要條件。

1　油壓裝置的組成

蒲石河電站的油壓裝置包括2個獨立的壓力油罐、2個蓄能器和1個液壓泵站。2個壓力油罐分別供調(diào)速器接力器和主進水閥接力器使用，同時兼顧其他液壓閥操作壓力；油罐上部是壓縮空氣，由廠內(nèi)空氣壓縮系統(tǒng)提供；下部是防銹汽輪機油作為液壓操作的介質(zhì)，可通過3臺90 kW螺桿油泵從集油箱打入油罐內(nèi)。蓄能器實為2個較小的油罐，為非同步導葉的接力器提供操作壓力。蓄能器中上部為1個壓縮氮氣囊，下部是防銹汽輪機油，由2臺功率為11 kW的螺桿泵打入蓄能器罐。

為保證以上操作系統(tǒng)油罐的壓力和液位時刻滿足操作需求，這就需要自動化控制系統(tǒng)來完成。蒲石河電站針對油壓裝置控制需求，采用輔機單獨控制形式，設(shè)有獨立的油壓裝置控制柜，由PLC可編程邏輯控制器來控制油壓裝置運行，與監(jiān)控系統(tǒng)上位機使用RS-485方式通信。

2　控制對象及信號采集

油壓裝置控制柜PLC的控制邏輯中，控制目的是保證操作壓力在5.2MPa~6.4MPa之間，液位與氣體占有罐體積的比例在1：2左右?？刂茖ο笠彩菆?zhí)行機構(gòu)為：5個泵、5個空載閥和2個油罐出口隔離閥。系統(tǒng)采用油壓控制為主，輔以油位控制方式。由PLC根據(jù)壓力油罐上自動化元件所提供的壓力、油位信號對油泵、油泵空載閥、油罐隔離閥進行操作，實現(xiàn)對壓力油罐自動補油、補氣、事故應急控制，從而使壓力油罐的油壓、油位保持在正常的范圍內(nèi)，整個水輪機組得以正常運行。

2.1壓力信號

2.1.1壓力油罐壓力開關(guān)

壓力信號取自壓力油罐上的壓力開關(guān)，調(diào)速器油罐和主進水閥油罐上分別設(shè)有6個壓力開關(guān)，壓力開關(guān)設(shè)定值和PLC對應的控制邏輯作用如表1。

表1

2.1.2壓力管路壓力開關(guān)

調(diào)速器操作油路和主進水閥操作油路在集油箱內(nèi)共用一條壓力管路，但彼此之間有逆止閥隔離，管路上設(shè)有壓力開關(guān)，定值設(shè)定為6.0MPa，用于啟泵后管路壓力上升到此定值時，作為滿足自動開啟隔離閥條件。

2.1.3非同步導葉管路壓力傳感器

非同步導葉在機組運行中不頻繁開啟或關(guān)閉，而且單次操作用油量較小，因此不需要頻繁補充壓力和液位，蓄能器不設(shè)自動隔離閥，蓄能器和操作管路始終接通。用一壓力傳感器裝設(shè)在壓力管路上，即可監(jiān)視整個操作系統(tǒng)的壓力。該傳感器送出4~20mA模擬量至油壓裝置PLC模擬量輸入模塊，對應0~21MPa壓力。PLC根據(jù)此壓力值來控制主泵是否加載，備泵是否啟動。

2.1.4調(diào)速器和主進水閥系統(tǒng)壓力傳感器

調(diào)速器和主進水閥系統(tǒng)的油罐和管路上共裝有4個壓力傳感器，該傳感器送出4~20mA模擬量至油壓裝置PLC模擬量輸入模塊，對應0~7.0MPa壓力。PLC將此模擬量轉(zhuǎn)換為通訊量送至監(jiān)控系統(tǒng)上位機。同時PLC也應用此壓力判斷油罐是否需要自動補氣。

2.2液位信號

2.2.1壓力油罐液位開關(guān)

調(diào)速器與主進水閥油罐上各設(shè)有磁翻板式液位計1個，磁翻板液位計內(nèi)設(shè)有浮球，根據(jù)聯(lián)通器原理，磁性浮球可漂浮在油中，它在油尺中上下移動可反應實際的油位變化。油尺側(cè)面不同刻度處裝有8個磁記憶開關(guān)，當磁性浮球經(jīng)過開關(guān)時會使開關(guān)中的接點變化，從而準確的將油位的開關(guān)量送給PLC開入模塊。液位開關(guān)設(shè)定值和PLC對應的控制邏輯作用如表2。

2.2.2油壓裝置集油箱液位開關(guān)

表2

油壓裝置集油箱中設(shè)有3個浮子式液位開關(guān)，3個開關(guān)安裝高度和PLC邏輯作用如下：

≤160mm液位過低停泵，≤300mm液位低報警，≥700mm液位高報警。

3　邏輯設(shè)計

PLC程序設(shè)計分為7段：啟動條件、泵的輪轉(zhuǎn)、泵與油罐隔離閥控制、非同步導葉油泵控制、自動補氣系統(tǒng)控制、故障報警、通訊程序。實際完成控制需要程序間互相配合。

3.1油站啟動和油泵的輪轉(zhuǎn)

3.1.1啟動油站

由監(jiān)控發(fā)來油站啟動令，油壓裝置控制權(quán)在遠方時，并且無大故障，此時油站啟動，啟動令做自閉鎖，啟動令為一脈沖量無需保持，只有發(fā)來停止令才會使油站停止；判斷油站油位正常，主進水閥油罐和調(diào)速器油罐的壓力和液位正常（不在最高最低）。此時需要啟動1號、2號和3號泵中其中1個，供球閥、調(diào)速器的壓力管路使用；4號和5號泵啟動1個，供非同步導葉管路使用。

3.1.2泵的輪轉(zhuǎn)與定義

為保證泵的運行時間均衡，泵實行輪轉(zhuǎn)使用規(guī)則：在程序中規(guī)定選擇運行時間最短的泵為此次啟動油站的主用泵，具體規(guī)則如下：如果3臺泵中，1號泵運行時間最短，則定義1號泵為主用泵，2號泵為備用，3號泵為緊急備用；如過2號泵運行時間最短，則定義2號泵為主用泵，3號泵為備用泵，1號泵為緊急備用；同理3號為主用泵時，1號為備用泵，2號為緊急備用泵；3臺泵的輪轉(zhuǎn)邏輯雖然更為復雜，但是有緊急備用泵的存在，更好的保證了油壓裝置的穩(wěn)定運行。

程序中是應用以下邏輯完成計數(shù)和輪轉(zhuǎn)的：泵的運行時間計算環(huán)節(jié)應用了TP功能塊和CTU功能塊，TP功能塊用于生成一個具有已定義持續(xù)時間的脈沖。CTU功能塊用于遞增計數(shù)。

以1號泵為例（圖1），當1號泵啟動，TP模塊發(fā)出脈沖M21并開始計時，當內(nèi)部時間達到PT處終止時間時，M21脈沖終止，并重新發(fā)送。這樣就做到1號泵從開始運行后，每分鐘都有脈沖發(fā)出。此脈沖送入CTU計數(shù)功能塊，CU處每1min跳變1次，CV處就計數(shù)1次。這樣就可以知道1號泵當前運行了MW 201分鐘。當3臺泵運行時間都超過10000min，計數(shù)器清零，重新計數(shù)。

圖1 TP 和CTU 功能塊在泵運行時間計數(shù)中的使用

上文提到根據(jù)3個泵的時間比較并加以定義，當某臺泵運行時間確定最短時，另外2臺便有了固定的備用和緊急備用的搭配，這樣就免除了進一步的時間比較，使程序更加簡練明確。

3.2油泵啟動條件和控制

確定好泵的定義后，程序自動檢測泵是否準備好，泵準備好的條件為：泵和對應空載閥在自動控制，泵過濾器兩端壓力正常，并且泵電源正常且無故障。如果主泵、備泵、緊急備用泵中有1臺沒有準備好，會有報警發(fā)出。當以上條件均滿足，泵便有了啟動的條件，調(diào)速器系統(tǒng)及主進水閥系統(tǒng)共用3臺泵。3臺泵的啟、停以及泵對應空載閥動作程序完全一致，具體運行方式根據(jù)泵的定義確定后，選擇不同的啟停方式。

3.2.1主用泵控制邏輯

主泵收到泵啟動令后，首先空載閥空載，6 s后啟泵。此后主泵保持連續(xù)運行。主泵的空載閥是否加載靠壓力判斷，任意1個油罐的壓力低于6.2MPa時加載，當2個壓力油罐壓力達到標準6.4MPa后，此時空載閥勵磁，即空載。

3.2.2備用泵控制邏輯

當油罐液位或壓力低于啟備泵條件時啟動，備泵的空載閥隨備泵啟動就加載，當液位達到停止備用泵時停止，備泵空載閥空載；停油站令發(fā)出后備泵立即停止

3.2.3緊急備用泵邏輯

運行中如果主泵故障，則緊急備用泵做主泵運行；如果備用泵故障，則做備用泵運行。緊急備用泵的空載閥邏輯遵循所頂替泵（主或備）的空載邏輯。泵的啟動、停止遵循被頂替泵邏輯。

3.2.4事故應急處理

如果油壓裝置有啟動的命令，但是有集油箱液位過低時，停止任何泵的運行，防止將空氣吸入壓力管路。

3.2.5啟停泵邏輯中使用的功能塊

在條件和控制的程序中大量使用了RS：雙穩(wěn)功能塊，該功能模塊的優(yōu)點就是針對同一個控制對象，可以設(shè)定啟動或者停止的條件，不需要設(shè)置過多的中間變量，就能準確的控制受控對象。

以備用泵啟動條件為例（圖2）：當調(diào)速器油罐或者主進水閥油罐的壓力、油位降低至啟動備泵條件，并且油站在啟動狀態(tài)，S輸入端為“1”，Q1端輸出為“1”，備泵具備啟動條件。之后壓力和液位會因為泵的啟動而上漲，使啟動備泵的壓力和液位條件會復歸，但是RS儲存器即使輸入S恢復為“0”，此狀態(tài)也保持不變。只有2個油罐液位同時達到停備泵液位，或者停機令發(fā)出后，R1端輸入為“1”，Q1備泵啟動條件復歸。復位優(yōu)先也是RS功能塊的特點之一，類似停機等硬性條件，無需考慮使之觸發(fā)的條件是否滿足，立刻復位。

圖2 RS功能塊在備用泵啟停條件的應用

3.3隔離閥的開關(guān)邏輯及油站恢復功能

油罐出口隔離閥是壓力油罐和集油箱內(nèi)壓力管路連接與否的有效隔離裝置，因此，能否完成壓力油從集油箱經(jīng)過油泵進入油罐，或壓力油能否進入操作機構(gòu)，完全受控于油罐出口隔離閥的控制。

3.3.1隔離閥開啟控制

當啟動油壓裝置令發(fā)出且有1個臺泵在運行，泵加載使油管路的壓力達到6.0MPa時，打開2個隔離閥，目的讓隔離閥兩側(cè)平壓防止對管路和泵造成沖擊。

3.3.2隔離閥關(guān)閉控制

停油站120 s內(nèi)液位到達“停泵關(guān)隔離閥”時關(guān)閉隔離閥，當這120 s過去后如果油位沒有達到也關(guān)閉隔離閥。如果遇到緊急情況，即使機組還在運行，當某個油罐的液位達到“油位過低，關(guān)閉隔離閥”此時關(guān)閉隔離閥，靠泵運行將機組停下來。

3.3.3油站的恢復功能

油站停止命令發(fā)出后會有120 s的時間用于油站恢復，在這個120 s中：任意一個油罐油位不滿足，主泵運行，空載閥加載補充油罐油位至“可以關(guān)閉隔離閥”的液位，后主泵停止，空載閥空載；如果120 s沒有能夠?qū)⒁何谎a充至目標也停止主泵。在這120 s后會將所有泵的定義復歸，并且復歸3個大泵的故障信號。

3.4非同步導葉油泵及其空載閥控制

蒲石河機組擁有20個導葉，20個導葉在控制環(huán)的作用下受調(diào)速器接力器控制，其中5號，6號，15號，16號導葉為非同步導葉，在受控制環(huán)的控制同時，也受非同步導葉接力器控制。所以，在原導葉開度的基礎(chǔ)上可以單獨增加5%~15%的開度，根據(jù)模型設(shè)計，蒲石河機組在導葉開度在14%~24%的時候機組會進入不穩(wěn)定區(qū)域，此時機組振動較大，轉(zhuǎn)速波動也較大，需要打開非同步導葉，從而改變轉(zhuǎn)輪兩側(cè)水流流態(tài)，使機組重新回到穩(wěn)定運行。非同步導葉開啟與關(guān)閉受調(diào)速器控制柜控制，執(zhí)行機構(gòu)在油壓裝置中。

非同步導葉要求動作快速，同時在水流中受到的力矩較大，為此單獨設(shè)計了非同步導葉蓄能器（蓄能器額定壓力為16MPa，設(shè)有氮氣囊取代空氣作為能量儲存介質(zhì)）。為保證蓄能器和操作管路中壓力，油站為此套操作機構(gòu)單獨配有2個螺桿泵：4號、5號泵，啟動和輪轉(zhuǎn)與前3臺泵輪轉(zhuǎn)相同，由3臺泵精簡為2臺后，只需比較4號和5號泵，運行時間短的為主用泵，另外1個則為備用。

上文提到非同步導葉系統(tǒng)壓力由壓力變送器送至PLC，根據(jù)當前模擬量壓力值來控制泵的邏輯，當壓力大于等于16.2MPa時，主泵空載；當壓力小于15.2MPa，時主泵加載；當壓力低于13.0MPa時啟動備泵，備用泵的空載閥隨泵啟、停而加載或空載；當壓力小于11.0MPa時，壓力低報警停機。

3.5壓力油罐的自動補氣邏輯

由于油壓裝置的壓力油罐存在不可避免的少量漏氣的情況，為保證壓力油罐中油位和氣體始終保持1:2的比例，設(shè)計有自動補氣裝置，該裝置啟停邏輯是根據(jù)油壓裝置的不同運行狀態(tài)，當壓力或者液位偏移時進行補氣。壓力測值取自油罐上壓力變送器送給PLC的模擬量，液位取自磁翻板液位計的磁記憶開關(guān)送給PLC的開關(guān)量。

3.5.1在運行的自動補氣條件

判斷油壓裝置是否在使用，最主要的是要判斷油罐出口的隔離閥狀態(tài)。自動補氣邏輯規(guī)定：當隔離閥處于開位，認為油壓裝置正在使用。當油位信號有“油位過高，補氣并報警”的開關(guān)量輸入，并且油罐壓力低于6.6MPa，自動補氣若在自動運行，則補氣條件滿足。這樣做可以抑制為了滿足油罐壓力保持在6.4MPa，油泵不斷向油罐打油的趨勢。保證在運行中壓力多次循環(huán)也可以很好地控制油罐內(nèi)液位和壓縮空氣的比例。

3.5.2不在運行的自動補氣條件

當隔離閥處于關(guān)位，認為油壓裝置不在使用。此時油罐油位信號中“低于空載油位，啟主泵”的開關(guān)未動作，但是壓力開關(guān)“低于空載壓力，主泵加載”動作，自動補氣在自動時，則補氣條件滿足。這樣的設(shè)計是為了確定壓力油罐不存在漏油的情況，但是壓力降低則需要補氣。這樣在停機過程中油罐就時刻保持滿足自動啟動的壓力。

3.5.3自定補氣時間的控制

根據(jù)以上兩種條件，在油壓裝置處于運行和非運行時都可以自動補氣，但是補氣量的多少的控制非常關(guān)鍵。補氣量較少起不到設(shè)計的作用，補氣過多導致壓力波動大，則會影響油站正常油泵的控制。所以，補氣邏輯采用多次少量的循環(huán)方式，即當補氣條件滿足，自動補氣開始補氣20 s，補氣結(jié)束后等待40 s。若補氣條件依然滿足繼續(xù)循環(huán)，直到不需要補氣為止。

3.6報警和停機

視油壓裝置各分系統(tǒng)自動化元件采集的信息，可以時刻掌握油站的健康狀態(tài)，報警分為兩個等級：報警和停機。顧名思義根據(jù)油壓裝置設(shè)計中各系統(tǒng)允許運行的壓力和液位范圍，在超出范圍時油壓裝置自動完成報警和保護性停機。

3.6.1報警條件

以下為程序定義的報警點：1~5號泵未準備好；油罐油位過高補氣并報警；油罐油位低啟備泵；油罐壓力低啟備泵；集油箱油位高報警；集油箱油混水。此類報警在運行中定義為小故障，不影響油站運行。3.6.2停機條件

以下為程序定義的停機點：開機令發(fā)出20 s時沒有泵啟動，延時2 s停機；開機令發(fā)出180 s時油壓裝置沒有準備好，延時120 s停機（準備好的條件包括油罐壓力和液位建立可以開機，油罐隔離閥打開，非同步導葉管路壓力正常，3臺大泵和2臺小泵均有1臺在運行）；開機令發(fā)出后60 s隔離閥未打開，延時2 s停機；油壓裝置集油箱液位過低，延時5 s停機；油罐液位開關(guān)“油位過低，關(guān)閉隔離閥”或“油位低，停機”動作，延時5 s停機；油罐壓力過低或過高動作，延時5 s停機。

4　結(jié)語

截止至2012年12月31日24∶00，蒲石河電站全年累計發(fā)電量5.19億kW·h，抽水用電6.32億kW·h。4臺機組投入商業(yè)運行以來，機組啟停頻繁，其中，發(fā)電啟動700次，抽水啟動488次。充分發(fā)揮了抽水蓄能電站調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用的重要作用，保障了東北電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。4臺機組在這一年的運行中，油壓裝置運行穩(wěn)定，為調(diào)速器系統(tǒng)的導葉接力器、非同步導葉接力器、主進水閥接力器的操作提供了穩(wěn)定的壓力保障。

中圖分類號：TV736

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）07-0051-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.07.015

收稿日期：2015-04-30

作者簡介：李承龍（1988-），男，助理工程師，從事水電機組運行及維護工作。